Mô phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10 MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng của lưu chất theo phương pháp trường cặp đôi

Nội dung text: Mô phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10 MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng của lưu chất theo phương pháp trường cặp đôi

1. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Mơ phỏng hoạt động của linh kiện QCM 10 MHz khi hoạt động dưới sự ảnh hưởng của lưu chất theo phương pháp trường cặp đơi Dương Tấn Phước Nguyễn Đăng Giang Trương Hữu Lý Lê Trầm Ngọc Dũng Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch ICDREC, ĐHQG-HCM Vũ Lê Thành Long Trương Văn Phát Ngơ Võ Kế Thành Trung tâm Nghiên cứu Triển khai, Khu Cơng nghệ cao TP.HCM (Bài nhận ngày 02 tháng 01 năm 2016, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016) TĨM TẮT Bài báo này trình bày việc mơ phỏng hoạt trường cặp đơi lưu chất-cấu trúc, hai phương động linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM với pháp mơ phỏng phần tử hữu hạn và động lực học tần số cộng hưởng 10 MHz khi hoạt động trong lưu chất sử dụng phần mềm Ansys Mechanical và mơi trường lưu chất (máu, nước, dung dịch cĩ độ ANSYS Fluent đã được thực hiện nhằm xác định nhớt cao ). Do linh kiện QCM hoạt động trên các tín hiệu đầu ra. Phương pháp định lượng chất nền là tinh thể áp điện nên việc mơ phỏng chất tải trên bề mặt linh kiện cũng đã bước đầu phải sử dụng phần tử cĩ hỗ trợ thuộc tính áp điện được xây dựng nhằm tạo đường chuẩn làm cơ sở (SOLID 226). Việc xác định ứng xử của linh kiện hướng đến ứng dụng trong cảm biến sinh học và trong lưu chất là rất quan trọng khi hướng đến hĩa học. các ứng dụng thực tế. Dựa trên phương pháp Từ khĩa: linh kiện vi cân tinh thể thạch anh, QCM, FSI, Ansys Fluent, Ansys Mechanical, CFD GIỚI THIỆU Ngày nay, các linh kiện vi cơ điện tử đang hình là vi cân tinh thể thạch anh QCM (Quartz được nhiều sự quan tâm nhờ ưu điểm nhỏ gọn, độ Crystal Microbalance) với dạng dao động sĩng chính xác và độ nhạy cao, khả năng ứng dụng trượt theo chiều dày (Thickness shear mode). rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như tự động, y Việc quan sát các phân bố ứng suất, sự suy hao tế và truyền thơng. Các linh kiện vi cơ điện tử cĩ năng lượng hay ứng xử bề mặt của linh kiện thể chuyển đổi và truyền tải tín hiệu, cũng như QCM trong điều kiện hoạt động dựa trên thực tế khả năng cảm nhận được mơi trường xung quanh là các yếu tố cần thiết trong việc chế tạo và dựa trên sự thay đổi các tính chất vật lý khác hướng đến ứng dụng loại linh kiện này trong cảm nhau. Một trong số đĩ là hiệu ứng áp điện khi biến sinh học. Mơ phỏng luơn là một quá trình chất nền của linh kiện cĩ khả năng chuyển đổi cần thiết để giảm thiểu thời gian và chi phí thực năng lượng điện thành dao động cơ học và ngược hiện trước khi chế tạo linh kiện. lại. Các linh kiện áp điện được phân loại dựa trên Hiện tại, đã cĩ nhiều nghiên cứu về việc mơ kiểu dao động cơ học của phần tử chất nền, điển phỏng hoạt động của linh kiện QCM, tuy nhiên, Trang 207
2. Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 việc khảo sát ảnh hưởng trực tiếp của lưu chất hoạt động cĩ tương tác với miền lưu chất xung đến hoạt động của linh kiện QCM là khơng quanh ở nhiệt độ ổn định. Đây là trạng thái tương nhiều, cĩ thể kể đến một số nghiên cứu tiêu biểu tác qua lại hai chiều (two ways). như cơng trình ―Design and simulation of flow Với cấu trúc đã cĩ được ứng với từng vùng cell chamber for quartz crystal microbalance tần số hoạt động, nhĩm tiếp tục sử dụng phương sensor array‖ của tác giả Jaruwongrungsee, K , pháp phân tích tương tác giữa cấu trúc và lưu hoặc ―Simulation of sample transport‖ của tác giả chất, tuy nhiên, trong giai đoạn này, lưu chất sẽ là Mats Jưnsson, các nghiên cứu này đã cĩ xem xét dung dịch lỏng và cĩ các tác nhân hĩa học bám đến đáp ứng của lưu chất xung quanh và trên bề vào bề mặt điện cực. Quá trình này nhằm cung mặt linh kiện, tuy nhiên vẫn chưa xem xét đến cấp cái nhìn trực quan về đáp ứng của linh kiện hiện tượng tiêu tán năng lượng gây ra tần số giảm QCM khi hoạt động trong mơi trường lỏng với chấn cho linh kiện. vai trị là cảm biến sinh học, từ đây cĩ thể lập ra Trong bài báo này, nhĩm nghiên cứu đã tiến cơ sở dữ liệu nhằm đối chiếu kết quả đo đạc sau hành mơ phỏng hoạt động của linh kiện QCM này. Quá trình phân tích các đáp ứng của tinh thể trong mơi trường lưu chất. Quy trình mơ phỏng khi cĩ điện áp được thiết lập với đầu vào là điệp được xây dựng theo phương pháp trường cặp đơi áp kích 5 V trong khoảng thời gian 0,39964 μs. (Fluid Structure Interaction). Đây là phương pháp Sau đĩ tiến hành cất tải (bỏ điện áp kích) và phân tính tốn kết hợp giữa phương pháp phần tử hữu tích đáp ứng đầu ra. Tương ứng với thời gian lấy hạn và động lực học lưu chất. Phương pháp này mẫu là 0,0004 μs. Hình 1 trình bày quy luật gia cho phép tính tốn được quá trình tương tác giữa tải điện áp kích thích vào linh kiện QCM 10 linh kiện với lưu chất ngồi thơng qua các biên MHz. trường cặp đơi. Phương pháp định lượng chất tải trên bề mặt linh kiện cũng đã bước đầu được xây dựng nhằm hướng đến ứng dụng trong cảm biến sinh học và hĩa học. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Hình 1. Điện áp kích thích đặt vào linh kiện Để khảo sát ảnh hưởng của lưu chất lên hoạt Phương pháp động của linh kiện QCM, chúng tơi tiến hành Quy trình mơ phỏng linh kiện QCM được phân tích năng lượng tiêu tán thơng qua hệ số tiến hành trên cơ sở phương pháp phần tử hữu giảm chấn của tín hiệu thu được từ quá trình phân hạn và phương pháp động lực học lưu chất. Vai tích quá độ (transients). Mục đích của việc này là trị của phương pháp phần tử hữu hạn là tính tốn nhằm xác định sự tiêu hao năng lượng do độ nhớt ra ứng suất, biến dạng, chuyển vị của linh kiện của lưu chất ảnh hưởng vào quá trình hoạt động khi kích thích điện áp. Dữ liệu chuyển vị sẽ được Năng lượng trong quá trình dao động của gửi sang phần tính tốn động lực học lưu chất với linh kiện tiêu tán dần là do ảnh hưởng của lưu vai trị như tham số đầu vào. Tại đây, phương chất xung quanh. Vì vậy, muốn xác định được hệ pháp động lực học lưu chất sẽ dựa trên chuyển vị số giảm chấn thì phải thiết lập được mơ hình và tính tốn ra giá trị áp suất tại tồn bộ các khu tương tác giữa hai miền lưu chất và cấu trúc. Bài vực cĩ liên quan trong miền lưu chất. Dữ liệu áp tốn được chúng tơi đặt ra gần với đáp ứng thực suất này sẽ được gửi trực tiếp và được xem như tế nhất là bài tốn cấu trúc linh kiện QCM khi đầu vào của quá trình tính tốn cấu trúc. Quá Trang 208
3. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 trình tính tốn lặp với sự trao đổi thơng tin về chuyển vị và áp suất giữa hai phương pháp sẽ được tiến hành liên tục. Hình 3. Mơ hình linh kiện QCM với chất tải ở trên bề mặt điện cực trong mơi trường lưu chất Mơ hình được xây dựng trong khơng gian ba chiều (3D) và sử dụng phần tử bậc hai nhằm tăng độ chính xác của kết quả phân tích. Dữ liệu đầu ra sẽ thơng qua các phép phân tích và xử lý tín Hình 2. Quá trình thực hiện dựa trên phương pháp hiệu như phân tích tương quan, phân tích tín hiệu trường cặp đơi trên miền tần số (Fourier) để tạo cơ sở dữ liệu. Mơ hình phần tử hữu hạn của linh kiện QCM Phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ được xây dựng bằng phần tử SOLID226 cĩ hỗ của phần mềm ANSYS Version 15 được sử dụng trợ phân tích hiệu ứng áp điện (Piezoelectric). Số để phân tích đáp ứng của linh kiện trong trường bậc tự do tại mỗi nút là 3 bao gồm chuyển vị theo hợp định lượng chất tải trên điện cực, module sử phương x, y, z (Ux, Uy, Uz) và điện áp (VOLT). dụng là ANSYS Transient và ngơn ngữ lập trình Phần tử MASS21 được sử dụng để mơ hình hĩa tính tốn MATLAB được sử dụng để xử lý tín phân tử khí bám trên bề mặt màng cảm biến và hiệu và phân tích tần số. Mơ hình được xây dựng cĩ xét đến quán tính của khối lượng. Sử dụng kỹ bao gồm miền lưu chất và miền cấu trúc, bề mặt thuật ràng buộc điểm (CP Node) để mơ hình hĩa tiếp xúc giữa hai miền gọi là các interface. Điều liên kết giữa điện cực và tinh thể thạch anh. Quá kiện biên cấu trúc của cảm biến gia tốc được mơ trình phân tích sử dụng kỹ thuật đáp ứng quá độ tả như trong mơ hình giải tích, điều kiện biên lưu (transient) và tính tốn bằng phương pháp chồng chất bao gồm hai biên wall thay thế cho phần đế chất (superposition). Vật liệu dùng trong mơ thạch anh, các biên interface được thiết lập tại bề phỏng đặc trưng bởi các ten xơ bất đẳng hướng mặt tiếp xúc với cấu trúc cảm biến. Điều kiện và phụ thuộc vào gĩc quay tinh thể. Kết quả tồn thực hiện mơ phỏng là ở nhiệt độ 25 oC, mơ hình bộ quá trình được đánh giá dựa trên độ sự suy dịng chảy tầng, khơng khí được xem như khí lý hao năng lượng và độ dịch tần số. tưởng, áp suất dư bằng 0 atm, áp suất khí quyển là 1 atm, vận tốc dịng khí ban đầu bằng 0 m/s. Mơ hình phân tích được trình bày thơng qua Hình 3. Trang 209
4. Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Hình 4 trình bày giai đoạn tiền xử lý với hai bước cơ bản là thiết kế mơ hình 3D và chia lưới mơ hình. Lưới được chia theo cấu trúc hình lục diện với số phần tử là 20420 phần tử bậc nhất (khơng cĩ nút giữa) với mật độ đều nhằm tăng độ chính xác nhưng kích thước các ma trận khơng lớn như dùng phần tử tam giác. Tiêu chí chia lưới được xét đến là skewness nhỏ hơn 0,4; aspect nhỏ hơn 2 để tránh hiện tượng dominate giữa các ma trận khi lắp ghép, và jacobian lớn hơn 0,8 nhằm tránh sai số khi chuyển về phần tử chủ trong khơng gian tham chiếu, mục đích là tăng tốc độ hội tụ nghiệm trong quá trình phân tích theo thời gian và tránh sai số do mapping dựa trên cơ sở phần tử tốt hơn. Quá trình mơ phỏng sử dụng trình giải MFX trong mơi trường ANSYS Workbench thơng qua Hình 4. Mơ hình 3D của cấu trúc và biên dạng lưới module phân tích Transient – đặc trưng cho cấu sau khi thiết lập trúc và module phân tích CFX – đặc trưng cơ lưu chất như Hình 5. Hình 5. Lưu đồ phần tích và tính tốn trường cặp đơi (FSI) Trang 210
5. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 KẾT QUẢ Kết quả tồn bộ quá trình được đánh giá dựa một chu kỳ đầu tiên kể từ khi kích thích. Bên trên phổ ứng suất - chuyển vị của linh kiện QCM, cạnh đĩ, nhĩm cũng phân tích và tính tốn ra giá tín hiệu chuyển vị thu được theo ba phương và trị tần số trong trường hợp cĩ tải và khơng tải với phổ tần số đáp ứng của linh kiện. một hằng số độ nhớt cố định. Kết quả được trình bày ở Hình 8 Hình 8. Phổ tần số của linh kiện Hình 6. Phổ chuyển vị của linh kiện Phổ tần số thu được sau khi phân tích cho Hình 6 cho thấy kết quả phân bố chuyển vị thấy kết quả tần số cộng hưởng hội tụ tại 9,9965 của linh kiện QCM trong điều kiện cĩ tải, kế MHz, xấp xỉ giá trị tần số lựa chọn thiết kế ban đến, tiến hành phân tích tín hiệu thu được từ một đầu theo phân tích đáp ứng điều hịa. Do đĩ, mơ điểm trên điện cực, giá trị và dạng của tín hiệu hình phần tử hữu hạn sử dụng để phân tích ứng đầu ra được trình bày trong Hình 7. xử của linh kiện cĩ thể chấp nhận được. Kế đến, nhĩm tiến hành phân tích trường hợp linh kiện đã -8 x 10 phủ màng cảm biến và hoạt động trong các mơi 2.5 Ux-Non electrode Uy-Non electrode 2 trường lưu chất khác nhau. Uz-Non electrode 1.5 Để xác định cụ thể giá trị hệ số giảm chấn 1 ứng với từng hệ số độ nhớt lưu chất, nhĩm tiến 0.5 hành phân tích nhiều thơng số độ nhớt. Kết quả 0 Displacement (m) Displacement được trình bày trong Bảng 1. -0.5 -1 Bảng 1. Giá trị hệ số tắt dần, tần số giảm chấn, số -1.5 squeeze và độ dịch tần sốt theo độ nhớt -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Độ nhớt -6 0,1 0,05 0,01 0,005 Time (s) x 10 (kg/ms) Hình 7. Dạng tín hiệu thu được từ điện cực theo ba Tần số giảm phương của linh kiện QCM tần số cộng hưởng 10 MHz 9,887 9,901 9,928 9,977 chấn (MHz) Số Squeeze 2,556 2,246 1,989 1,775 Kết quả của quá trình mơ phỏng trường cặp Hệ số tắt đơi được trình bày trong hình 7, dữ liệu chuyển vị 0,863 0,784 0,632 0,57 dần theo thời gian kể từ sau khi kích thích dao động Độ dịch tần cĩ dạng hàm điều hịa với biên độ tắt dần. Biên số (MHz) 0,1095 0,0955 0,0685 0,0195 độ dao động của linh kiện QCM bị tắt dần trong Trang 211
6. Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Mối quan hệ giữa độ dịch tần số và độ nhớt kg/ms, 0,0032 kg/ms, 0,0034 kg/ms và 0,0036 của chất tải. Độ nhớt thay đổi trong khoảng từ kg/ms. Kết quả được trình bày ở Hình 10. 0,005 đến 0,1 kg/ms. Đồ thị độ dịch tần số so với tần số cộng hưởng của QCM với giá trị độ nhớt luơn liên tục, và với cùng với một giá trị độ nhớt, độ dịch tần số luơn lớn khi QCM đang hoạt động ở tần số cao hơn. Ngồi ra, tỉ lệ giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của độ dịch tần số ở cùng một hài trên cùng một linh kiện QCM luơn trong khoảng gần bằng 10 tương ứng với độ nhớt 0,1 kg/ms là 0,1095 MHz và độ nhớt 0,005 kg/ms là 0,0195 MHz và, điều đĩ cho thấy tỉ lệ ảnh hưởng của độ nhớt lên linh kiện QCM là khá giống nhau khi Hình 10. Đồ thị thể hiện sự thay đổi độ dịch tần số của linh kiện QCM chịu tải khác nhau. Như vậy, cĩ linh kiện QCM tần số cộng hưởng 10 MHz với bốn loại lưu chất thể kết luận, độ dịch tần số cộng hưởng của linh kiện QCM phụ thuộc vào tần số cộng hưởng cơ KẾT LUẬN bản của nĩ. Khi tần số cộng hưởng cơ bản càng Nhĩm nghiên cứu đã trình bày được quy lớn thì độ dịch tần số càng lớn. Điều này phù hợp trình mơ phỏng ứng xử của linh kiện QCM trong với lý thuyết của Sauerbrey và Kanazawa [5, 6]. mơi trường lưu chất. Nhĩm cũng đã khảo sát Như vậy, với mỗi linh kiện QCM cĩ tần số được hoạt động của linh kiện QCM trong điều cộng hưởng cơ bản khác nhau, cĩ thể xây dựng kiện bình thường và khi cĩ tải với kết quả gần được cơng thức tuyến tính gần đúng nhất, và khi đúng trong mơi trường mơ phỏng Ansys tiến hành sử dụng QCM trong thực tế, thơng qua Mechanical và ANSYS CFX dựa trên phương việc tiến hành đo đạc tối thiểu ít nhất bốn lần kết pháp trường cặp đơi FSI. Với thành quả này hợp với các phương pháp chọn kết quả sẽ đưa ra nhĩm đã bước đầu xây dựng được phương pháp giá trị độ nhớt của chất tải gần đúng nhất. Nhằm định lượng chất tải thơng qua xử lý tín hiệu số hướng đến ứng dụng trong sinh học, bốn loại lưu ngõ ra của linh kiện QCM. Đây chính là tiền đề chất được chọn là máu, nước, dung dịch với các quan trọng để nhĩm nghiên cứu hướng đến việc độ nhớt khác nhau với các giá trị lần lượt là 0,003 ứng dụng vào lĩnh vực cảm biến trong tương lai. Trang 212
7. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Simulating the operation of 10 MHz quartz crystal microbalance under the effection of fluid used couple field method Duong Tan Phuoc Nguyen Dang Giang Truong Huu Ly Le Tram Ngoc Dung IC Design Research and Education Center, VNU–HCM Vu Le Thanh Long Truong Van Phat Ngo Vo Ke Thanh Research & Development Center, Saigon Hitech-Park – HCM City ABSTRACT This article presents the simulation of of fluid domain is important for applications. operation of 10 MHz resonance frequency quartz Couple field method (structure-fluid) including crystal microblance device QCM in case of fluid finite element method and computational fluid domain (blood, water, high viscosity fluid ). dynamic method was used to determine output Because QCM device operates in piezoelectric signals. The loading quantitative method on substrate, simulation has to use the structure- surface’s devices was built for the applications in electric couple field element (SOLID 226). biological and chemical sensors. Determination of behaviors of device in the case Key words: quartz crystal microbalance device, QCM, FSI, Ansys Fluent, Ansys Mechanical, CFD TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. C.T. Leondes, MEMS/NEMS: Handbook [4]. H.H. Lu, Y.K. Rao, T.Z. Wu, Y.M. Tzeng, techniques ans applications, Sprinter Direct characterization and quantification Science & Business Media, 1, 325–335 of volatile organic compounds by (2008). piezoelectric module chips sensor, Sensors [2]. S. Middehoek, Handbook of sensors and and Actuators B: Chemical, 137, 741–746 actuators, Elsevier, 8 (2000). (2008). [3]. H.M. Shizari, Quartz Crystal [5]. G.Z. Sauerbrey, Use of quartz vibration Microbalance/Heat Conduction for weighing thin films on a microbalance, Calorimetry (QCM/HCC), a new J. Physic, 155, 206–212 (1959). technology capable of isothermal hight [6]. K.K. Kanazawa, J.G. Gordon, Frequency sensitivity, mass and heat flow of a quartz microbalance in contact with measurements at a solid/gas interface, liquid, Analytical Chemistry, 57, 1771– Doctor of Philosophy, USA, 12–69 1772 (1985). (2000). Trang 213